Tähtitieteellinen yhdistys Ursa

Ilmakehän optiset ilmiöt

4/2001

11.2.2002 Jarmo Moilanen
Kuivahko kesä

Mennyt kesä ei paljoa meitä halojen ystäviä ilahduttanut. Kovinkaan merkittäviä näytelmiä ei näkynyt ja muutenkin havaintoja tuli vähänlaisesti. Kohta koittava syksykään ei yleensä hirvittäviä halomääriä taivaille syydä, mutta joinain vuosina syksy on tarjonnut upeitakin näytelmiä ja hyviä halomääriä. Joten ei sovi vaipua talvihorrokseen vielä.

Avaruus 2001 -näyttely

Kuten kaikki varmaan tietävät, Ursa järjestää Avaruus 2001 -näyttelyn Helsingin Ruokolahden Kaapelitehtaan Merikaapelihallissa 2. - 4.11.2001. Halojaoston on tarkoitus toimittaa näyttelyyn 2-3 posteria haloista. Posterit ovat jo hyvää vauhtia kypsymässä, mutta jaosto tarvitsee myös muuta rekvisiittaa. Jos jollain on jotain haloihin sopivasti liitettävää esinettä, laitetta, ideaa tai mahdollisuuksia rakentaa sellaisia, niin minuun voi ottaa yhteyttä. Myös jokin esitelmä tai kuvashow olisi järjestettävä, mutta tarkemmista suunnitelmista ei ole vielä selvyyttä.

Cygnus 2001

Minulle Cygnus 2001 jää mieleen ainakin erinomaisten sapuskojen ja ensimmäisen ISS havaintoni ansiosta. Halojaostolla oli jaostokokous lauantaina. Mitään ihmeellistä aihetta ei kokoukseen ollut ilmaantunut vetäjän eikä muidenkaan toimesta. Joten ei ole kovin suurta tarvetta käsitellä Cygnusta tässä sen enempää. Itse kokouksen ulkopuolella juttelin lähinnä Ruoskasen Jukan kanssa aiheesta mistä halo alkaa ja miten se mitataan tarkasti. Aiheesta puhuttiin myös jaostokokouksen lopussa ja siihen liittyen olisi kaikille kameran omistaville havaitsijoille pieni projektin poikanen tiedossa. Siitä tämän Sivuaurinko-palstan lopussa enemmän.

Haloja Marsissa?

Sky & Telescope lehden toukokuun 2001 numerossa on juttuja Marsista havaitusta kimaltelusta. Syyksi kimaltelulle Thomas Dobbins ja William Sheehan ehdottavaksi selitykseksi jääkiteiden heijastuksia. Mielenkiintoinen idea. Sen perusteella kimaltelut voisi tulkita ala-auringoiksi! Pitäisikö jaoston ohjeisiin lisätä uudeksi syntyvaihtoehdoksi O? O-synty tulee luonnollisesti termistä "outside Earth's atmosphere" eli halot, jotka syntyvät maapallon ilmakehän ulkopuolella olevissa jääkiteissä. Aika villi teoria.

Kesä- ja heinäkuu 2001

Jakso ei kovin runsaasti säväyttänyt halorintamalla, mikä ei ole suuri ihme. En tosin tiedä, kuinka pahasti porukka on ollut kesälomilla eli paljonko nähtyjä on jäänyt merkkaamatta ja raportoimatta.

Heti havaintojen aluksi on vastassa tämän Sivuaurinko-palstan uutuus eli piirrosgalleria. Tästä lähtien poimin aina yhden havaitsijan piirroksia peräti sivullisen verran kaikkien ihailtavaksi. Alkuperäinen tarkoitus oli arpoa se onnekas havaitsija, jonka piirrokset pääsevät esille, mutta päätin näin aluksi valita sen onnekkaan. Arpomisesta voidaan jatkossakin tehdä poikkeuksia. Luukkosen Ismon kauniita piirroksia on aina kiva katsoa, joten päätin antaa hänelle kunnian olla ensimmäinen jonka piirroksia esitellään näin runsaasti (Fig. 1a-f). Tällä piirrosgallerialla on tietysti taka-ajatuksena saada teidät havaitsija tekemään niitä piirroksia edes hiukan enemmän. Sivun saa täyteen kuudella piirroksesta.


Piirrosgalleria
Gallery of drawings

 

Fig. 1a: 8 June 2001 in Turku.
Fig. 1b: 21 June 2001 in Turku.
Fig. 1c: 30 June 2001 in Turku.
Fig. 1d: 22 July 2001 in Turku.
Fig. 1e-f: 22 July 2001 in Turku.

Miten halo mitataan?

Väliotsikko on ehkä turhan raflaava, mutta asian ydin on siinä, että ei ole olemassa kunnollista metodia tai määritelmää siitä, miten halon sisäreuna mitataan tai paremminkin miten se määritetän valokuvasta. Tämä ongelma on ollut pitkään tiedossa ja esimerkiksi Walter Tape on aina pohtinut mittauksien problematiikkaa. Ongelma tuli itselleni konkreettisesti vastaan mittaillessani Boulderin paperia varten Etelänavalla kuvattuja uusia renkaita. Itse asiassa ongelma ei tullut vastaan uusien renkaiden mittauksen yhteydessä, vaan näytelmän 9° rengasta mitattaessa.

Laskut antavat 9° renkaan valoreitillä punaisen valon (n=1.307) minimitaitoksi noin 8.89°. Tämä arvo on pistemäiselle valolähteelle. Auringon ja kuun tapauksessa tuosta arvosta on vähennettävä 0.25°, mikä on kyseisten valolähteiden säde. Kun huomioidaan valolähteen taaemman reunan olevan 0.25° kauempana mitattavasta pisteestä kuin auringon keskipiste, on lopputuloksena 8.64° säde. Kuitenkin mittauksissani sain säteeksi vain 8.4°. Se on keskiarvo viidestä eri diasta tehdyistä 49 mittauksesta. Mitatut arvot vaihtelivat välillä 8.2° - 8.87°, joten laskettu arvo kyllä osuu mitattujen arvojen alueelle. Kyse on siis 9° renkaasta. Mutta koska näytelmässä oli outoja renkaita, päätin tarkistaa ettei näytelmän 9° renkaassa ollut mitään outoa. Mittasin erään Suomussalmella kuvaamani 9° renkaan. Keskiarvo oli taas 8.4°, tosin virhemarginaali kasvoi hiukan mittausten antaessa arvoja 7.83° - 8.82°. Suurin syy virheen kasvuun oli pilvikuidut, jotka joissain kohdin sekoitti halon sisäreunan paikantamista.

Jokainen huomaa ylläolevasta, että jo itse mittauksissa olisi paljonkin parannettavaa. Kuvat on mitattu käyttäen samalla objektiivilla kuvattua tähtikuvaa taustana. SkyMap Pro 7 tähtikarttaohjelmaa käyttäen on saatu arvot mittauksille. Mittausvirheitä miettiessäni kiinnitin huomioni siihen kysymykseen, miten ensinnäkin määritellään missä kohtaa on halon sisäreuna. Kuulostaa ehkä omituiselta, mutta haloilla ei yksinkertaisesti ole terävää reunaa, joten jotenkin olisi määritettävä se, mistä kohdin halon sisäreunan säde mitataan. Ei lainkaan niin yksinkertaista. Kun otetaan huomioon vielä se, että himmeät renkaat eivät juuri kuvan taustataivaasta eroa millään tavalla tarkasteltuna, ollaan aika hankalan ongelman kimpussa. Halon intensiteettimaksimin mittaaminen puolestaan ei kerro juuri mitään halosta, mutta toki sekin pitää vielä tutkia.

Entä muut virhelähteet? Aloitetaan kuvaustilanteesta. Havaitsija kuvaa halon filmille. Hyvä, halo tallentuu filmille. Mutta miten se tallentuu? Kaikilla eri filmityypeillä on omat filmin rakenteeseen ja kemiaan liittyvät ominaisuudet, joihin kuuluu myös se, miten filmi tallentaa tietyn aallonpituuden omaavan valon. Hyvin usein puhutaan siitä, että jokin filmi on siniherkkää tai filmi on peräti infrapunafilmiä. Halon visuaalisesti havaittu sisäreunahan ei ole halon todellinen sisäreuna, vaan sen sisäpuolella halo jatkuu infrapunaisen aallonpituuksilla, joita ei visuaalisesti voi havaita. Kysymys kuuluu, aiheuttaako filmin kenties erilainen aallonpituuksien toisto eroa halon sisäreunan sijainnissa visuaalisesti havaittuun? Sen verran mitä olen perillä filmien ominaisuuksista, tämä ero ei luultavasti ole hirvittävän monta asteen kymmenystä.

Kun filmi on kehitetty ja kuvat on saatu, on halon sisäreunan säde mitattavissa kuvista. Äsken jo mainitsin mittaukseen liittyviä ongelmia. Miten mitataan ja mitä mitataan vaikuttavat omalta osaltaan mittauksen tuloksiin ja mittausvirheisiin. Cygnuksella lähinnä Jukan, mutta myös muutaman muunkin ihmisen kanssa keskustelin itse mittauksesta. Nykyisenä tietokoneiden aikakaudella ehkä kaikkein paras mittaustapa on tietokoneavusteinen mittaus. Periaatteessa samalla linssillä otetut halokuva ja tähtikuva pitäisi skannata samalla skannerilla ja täsmälleen samalla tavalla tietokoneelle. Halokuvaan joudutaan todennäköisesti tekemään jonkin verran manipulaatiota joko korostamalla haloja tai pehmentämällä kuvaa.

Tämän jälkeen tähtikuvaa käyttäen pitäisi rakentaa käytetyn linssin profiili, jota käyttämällä tietokoneen avulla pystyttäisiin mittaamaan halon sisäreuna kuvista helposti esimerkiksi hiirellä klikkailemalla. Linssin profiili on mahdollista saada aikaan antamalla kuvassa näkyvien tähtien todelliset koordinaatit ohjelmalle, joka sitten laskee pallotrigonometrian kaavojen avulla sen, kuinka linssi projisoi taivaan filmille. Teoriassa se on näin yksinkertaista, käytännössä ei. Halon sisäreunan löytäminen tietokoneen ruudulta kun ei ole yhtään sen helpompaa kuin muutenkaan. Tietokoneella tosin voidaan kuvaa käsitellä ja kenties rakentaa tietokoneohjelmia, jotka auttavat asiassa. Voisiko halon alkamisen määrittää esimerkiksi kuvan sisältämän informaation avulla (Fig. 12)? Toinen, vielä tutkimista vaativa vaihtoehto on yrittää mitata halo näytölle piirrettävän apurenkaan avulla. Kokeilin tekniikkaa sovittamalla tähtikartalle tietyn säteisiä renkaita ja menetelmä saattaa jopa toimia.

Tekemällä tarpeeksi tällaisia mittauksia pitäisi olla mahdollista saada käsitys siitä, miten ja mistä kohtaa meidän on halon sisäreuna mitattava. Kenties saamme vihjeitä siitä, millä aallonpituuksi meidän on teorialaskuissa ja simulaatioissa käytettävä, jotta saamme kuvatut halot ja teoreettiset halot yhdistettyä. On hyvin todennäköistä, että teoriat ja tarkat kuvien mittaukset eivät niin vain tuotakaan samoja tuloksia. Haloihin nimittäin vaikuttaa muitakin tekijöitä, mm. diffraktio ja kiteiden epäpuhtaudet, joita ei mittauksissa voida ottaa huomioon.

Jukan kanssa totesimme Cygnuksella, että tässä saattaisi olla jälleen yhden tieteellisen paperin paikka. Halojen mittaamisesta ei nimittäin ole tehty yhtään tieteellistä artikkelia. Valokuvien mittaustekniikoista toki on hyllymetreittäin julkaisuja, mutta niissä ei juuri puhuta siitä, miten nimenomaan halojen mittaus pitäisi suorittaa. Haloartikkeleissa usein mainitaan mittauksien tulokset, mutta ei tarkasti selvitetä sitä, miten mittaus on loppujen lopuksi suoritettu ja miten siinä on eri seikat otettu huomioon. Asia on nimittäin niin, että esimerkiksi juuri Etelänavan uusien renkaiden selitykset ovat toistaiseksi jäissä, kunnes mittaukseen liittyvät ongelmat on jotenkin saatu kuutioitua ja hallintaan.

 

Fig. 12: Intensities of colors in a circumzenithal arc. Computer program is used to study intensities of different colors in a scanned halophoto. In this graph sun is on right. B = blue light, G = green light, R = red light and a = average intensities. Notice a deep dive of blue light curve where green and red light has strong intensity. Graph by Jarmo Moilanen. Fig. 12: Zeniitinympäristön kaaren intensiteetit eri väreille. Tietokoneella aikaan saatu käyrästö skannatusta valokuvasta. Kuvassa aurinko on oikealla. B = sininen väri, G = vihreä väri, R = punainen väri ja a = keskiarvo värien intensiteeteistä. Huomaa kuoppa sinisessä käyrässä samalla kohdalla missä punaisella ja vihreällä värillä on suurin intensiteetti. Grafiikka Jarmo Moilanen.

Kuvaus- ja mittausprojekti

Äskeiseen aiheeseen liittyen olisi tarkoitus saada kerättyä materiaalia tutkimusten pohjaksi. Tätä tarkoitusta varten tarvitaan mitattavia kuvia. Niitä kaikki halukkaat voivat allekirjoittaneelle postittaa jatkossa. Myös itse tutkimuksesta kiinnostuneet voivat ottaa yhteyttä minuun.

Toisin sanoen, tarvitaan valokuvia 22° ja 46° renkaista sekä linssin profiilin määrittämiseen tähtikuvia, jotka otettuna samalla linssillä kuin halokuvatkin. Näin alustavasti tarvitaan kuvia nimenomaan näistä tutuimmista haloista, koska niiden takana olevat teoriat ovat kaikkein vankimpia ja niistä saadaan todennäköisesti nopeasti hyviä kuvia mittauksia varten. Itselläni niitä löytyy jo varastosta valmiiksi. Kuvia halutaan juuri renkaista sen vuoksi, ettei auringon korkeus pääse vaikuttamaan halon etäisyyteen auringosta. Kuvauksissa voi käyttää kaiken kokoisia objektiiveja eli tutkimusta ei ole tarkoitus rajoittaa pelkästään esimerkiksi laajakulmalinsseihin. Ehkä on syytä kuitenkin rajoittaa objektiivit polttoväliltään alle 90 mm, sillä pitemmillä polttoväleillä on jo aika mahdotonta saada aurinkoa ja 22° rengasta samaan ruutuun.

Kaikissa halokuvissa pitäisi auringon olla näkyvissä, mutta peitettynä tarpeeksi tummalla hitsauslasilla (tummuus esimerkiksi DIN 11 - 12), jotta auringon tarkka paikka voidaan kuvista määrittää. Hitsausmaskeihin kiinnitettäviä hitsauslaseja saa rautakaupoista irtokappaleina ja eivät maksa hirveästi. Nythän ei etsitä mitään vuoden kauneinta halokuvaa, joten hitsauslasia voi pitää auringon edessä vaikka kädellä ja käsi saa aivan vapaasti näkyä kuvassa. Hitsauslasi on syytä pitää mahdollisimman kohtisuorassa kameran ja auringon välillä, ettei optisesti huonon hitsauslasin kaltevuus aiheuta mitään vääristymää kuvaan. Aurinkoa ei tarvitse sijoittaa keskelle kuvaa, mutta sellaiset kuvat ovat myös tärkeitä.

Erityisen arvokkaita ovat kuvat kirkkaista 22° ja 46° renkaista, joilla on terävä sisäreuna. Jos kuviin sattuu mahdollisimman tasainen taustataivas, mielellään vielä se sininen, se lisää kuvan arvoa tutkimuksen kannalta. Kuvia kannattaa ottaa haarukoimalla varsinkin alivalotuksen puolelle, sillä tummista kuvista voidaan tutkia halojen väritystä paremmin.

Varoitus! Olkaa aina varovaisia kuvatessanne haloja kun aurinko on kuva-alalla! Hitsauslasikaan ei suojaa täysin auringon säteilyltä, joten kuvia otettaessa ei pidä tähtäillä minuuttitolkulla linssin läpi! Samoin pitkäpolttovälinen linssi (yli 50 mm) lisää silmävaurion riskiä huomattavasti. Itse asiassa minun pitäisi sanoa, että kukaan ei saa edes katsoa kameran läpi kun kuvaa, mutta teen sitä itse jatkuvasti enkä vielä ole onnistunut polttamaan silmiäni. Mutta olkaa silti varovaisia!

Halokuviin käytetyllä linssillä otetut tähtikuvat voi ottaa ilman seurantaa, mutta mielellään seurannan kanssa, jotta kuvista löytyy tarpeeksi tähtiä linssin profiilin määrittämiseksi. Tähtien pitää olla kuvissa pisteitä, joten "viivatähdet" eivät käy. Ilman seurantaa voi 16 mm kalansilmällä kuvata noin 55 sekuntia, 28 mm linssillä noin 35 sekuntia ja 50 mm linssillä noin 20 sekuntia. Jos seuranta on käytettävissä, on kuvat syytä ottaa käyttäen aukkoa 5.6 tai 8, jotta tähdet näkyvät myös nurkissa hyvin. Ilman seurantaa tähtikuvat on syytä ottaa 400-800 ASAn filmille täydellä aukolla. Seurannan kanssa otetut tähtikuvat voisi kuvata samalle filmille kuin halokuvatkin. Tähtikuvienkaan ei tarvitse olla teknisesti täydellisiä, vaan esimerkiksi vihreät kuvat käyvät, kunhan niistä löytyy riittävästi terävästi piirtyneitä tähtiä. Tähtikuviin olisi lisäksi hyvä saada jokin kohtalaisen kirkas tähti lähelle kuvan nurkkaan, jotta linssin profiili saadaan määritetyksi myös nurkissa.

Halokuvat on syytä toimittaa varustettuna seuraavilla tiedoilla (suluissa olevat tiedot eivät välttämättömiä): kuvaaja, (kuvauspäivä), (kellonaika), filmin merkki, filmin herkkyys, objektiivin merkki, objektiivin polttoväli ja (kamera). Tähtikuvista: kuvaaja, (filmin merkki), (filmin herkkyys), objektiivin merkki, objektiivin polttoväli, (kamera) ja (valotusaika). Lisäksi mukaan on hyvä laittaa selvitys siitä, mitkä kuvat on otettu samalla objektiivilla. Kuvat tullaan palauttamaan, joten yhteystiedot on hyvä laittaa mukaan.

Projektiin liittyy sivujuonteena myös valokuvattujen halojen säteistä tehdyt visuaalihavainnot. Tätä varten pitäisi olla käytössä jokin mittauslaite, joten tämä jääköön niiden huoleksi, joilla on käytössään jokin keino mitata halojen säde visuaalisesti mahdollisimman tarkasti. Lamerannan Jorma muistaakseni aikoinaan viritteli jonkinlaista mittalaitetta. Tähän hommaan voisi käydä myös veneilijöiden käyttämää sekstanttia, jos jollain sellainen on. Näin jokin aika sitten jossain venevarusteluettelossa sekstantin, joka maksoi alle 400 markkaa ja tarkkuus oli varsin hyvä. Varmasti tutustumisen arvoinen kapine. Visuaalimittaus on mahdollista myös kuun ympärillä näkyvistä haloista. Silloin pitää etsiä halon sisäreunan kohdalla oleva tähti, tunnistaa se ja merkata tarkka havaintopaikka ja kellonaika ylös, jolloin tähtikarttaohjelmalla voidaan määrittää tähden etäisyys kuusta kyseisellä hetkellä. Kuun haloista on vain hankalampi saada järkevä halokuva aikaan, koska kuvauksessa tarvittava pitkä valotus saa aikaan halon reunan siirtymisen "sisään päin".

Loppuhenkonen

Tässäpä tämä Sivuaurinko-palsta tällä kertaa. Aamulla tuntui, ettei tähän UMiin tule juuri mitään, mutta hyvinhän tuota tekstiä näytti syntyvän.

Syksy on tämän UMin ilmestyessä jo varmaankin aluillaan. Yöt pimenee ja halot tuppaavat jäädä sadepilvien taakse. Mutta kyllä niitä haloja syksyisinkin näkyy. Ei lannistuta!

Jarmo Moilanen


English summary

Hello friends! Summer is in its end while I'm writing this. Well, a weather forecast promised that there is some warm days ahead with temperature over +20°C.

Coming season, the autumn, is usually not very good time for halo observers here in Finland. It can be overcast for a long time. However, some good displays has been seen during autumns. And we hope for that!

There will be a big space related exhibition in Helsinki in 2-4 November this year. It is called as Avaruus 2001 (=space 2001). Ursa astronomical association is the organizator of that big event. Also our section will have some activities there.

In the beginning of this issues Sivuaurinko there is a special gallery of drawings. From now on there will be a page of drawings made by some of our observers. In future that lucky observer will be choose by random but this first case is my choice. Ismo Luukkonen has always really great drawings in his reports.

In the end of this Sivuaurinko I tell about a project which should be done. It is a measurement project where we will measure several halo photos as precisely as we can. We also try to apply computer programs to help us in that task.

 

RSS Zeniitti

RSS Taivaanvahti

RSS Avaruus.fi-foorumi